Các vấn đề của thiết bị trao đổi nhiệt

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
( Heat Exchangers )


Mô hình dòng chảy
•
•
•
•

Dòng chảy song song
Dòng chảy ngược chiều
Vỏ-ống có vách ngăn
Dòng chảy chéo


Temperature Profiles

ΔT = Nhiệt độ tiếp cận (Approach Temperature)


Biên dạng
nhiệt độ của
thiết bị trao
đổi nhiệt


Cấu trúc dòng
Q=U A F ΔTlm-counter

 (1 − S ) 

R 2 + 1 ln 
1 − RS 
F=
 2 − S R +1− R2 +1 
( R − 1) ln 

2
 2 − S R + 1 + R + 1 
R=

Thot in − Thot out
Tcold out − Tcold in

)
)

(
(

S=

Tcold out − Tcold in
Thot in − Tcold in


Hệ số truyền nhiệt tổng
•
•

Dòng trở lực

Yếu tố cơ bản:

– Bên trong
– Bên ngoài

Trong
ống



Ao
U o =  R f ,i
+ ( Do Di ) (1 hi ) + [1 ( 2k w ) ] Do ln( Do Di ) + (1 ho ) + R f ,o 
Ai



−1

Rf=yếu tố tắc nghẽn, bên trong và bên ngoài
Xem bảng 18.5 cho khoảng giá trị U trong các trường hợp khác nhau.


Trao đổi nhiệt bên trong một ống
hD
0.8
1/ 3  µ b 
Nu =
= 0.027 Re Pr  
kf

 µw 

0.14

L / D > 60, smooth tube
0.7 < Pr =

Cpµ
kf

< 16,700

Re > 10,000 Turbulent
Ngoài ra các mối tương quan khác có giá trị trên phạm vi rộng hơn


Trao đổi nhiệt bên ngoài một ống
hD
0.5
2/3
0.4  µ b 

Nu =
= (0.4 Re + 0.06 Re ) Pr 
kf
 µw 

µb
0.25 <
< 5.2

µw
Cpµ
0.67 < Pr =
< 300
kf
40 < Re < 100,000
Ngoài ra các mối tương quan khác có giá trị trên phạm vi rộng hơn

0.25


Dẫn nhiệt


Nhiệt độ tiếp cận là gì ?
•

Heuristic 26.

– Nhiệt độ tối thiểu gần tối ưu đạt được trong thiết bị
trao đổi nhiệt phụ thuộc vào mức nhiệt, cụ thể như
sau:
–
–
–
–

10°F hoặc thấp hơn với nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ biên,
20°F đối với nhiệt độ từ nhiệt độ biên đến 300°F,
50°F đối với nhiệt độ cao,

250 đến 350°F trong lò cho nhiệt độ khí thải trên nhiệt độ
đầu vào lưu chất.


Thiết bị trao đổi nhiệt là gì?
Điều gì diễn ra bên trong?
Octane Reaction
2C2H4 + C4H10  C8H18
P= 20 psia, T= 93C,
Độ chuyển hóa X=98%
TBP

C2H4
C4H10
C8H18

−103.7 °C
+0.5 °C
+125.52 °C


Thiết bị trao đổi nhiệt là gì?


Trao đổi nhiệt có sự đổi pha
•

Khó khăn:

– Ví dụ như

• Nồi đun trong thiết bị chưng cất
• Bình ngưng tụ trong thiết bị chưng cất
• Thiết bị tách pha
• Nồi đun


Hơi nước ( Steam)
•

Các giả định

– Đầu vào – Hơi bão hòa
– Áp suất
– 100% hơi

– Đầu ra – Lỏng bão hòa
• Chất lỏng chỉ đi ra qua bẫy hơi
– Áp suất = Pvào- ΔP (1.5 psi, Heuristic-31)
– 100% Lỏng


Thiết bị trao đổi nhiệt
phức tạp là gì?


Trao đổi nhiệt ngưng tụ
•

Ngưng tụ giọt

– Trường hợp đặc biệt
• Trao đổi nhiệt rất cao
• 5 đến 10 lần ngưng tụ màng

•

Ngưng tụ màng

– Laminar
3
hx x  gρ l ( ρ l − ρ v )∆H vap kl 
Nu x =
=

kl
4
µ
(
T
−
T
)
x


l
v
w

1/ 4

Dòng ngưng tụ từ êm dịu
(laminar) đến rối loạn (turbulent)


Hệ số truyền nhiệt đun sôi
Hệ số truyền
nhiệt cao nhất.
Nhưng khó điều
khiển HX hoạt
động ở vùng này

Các mối tương quan phụ thuộc vào cơ chế đun sôi


Heuristic 28
•

Đun sôi chất lỏng trong suốt hoặc hỗn hợp lỏng gần sôi trong bộ trao đổi nhiệt riêng
biệt, sử dụng lực dẫn động nhiệt độ tối đa tổng thể là 45 F để đảm bảo sự sôi nảy mầm
và tránh sôi màng (h thấp) không mong muốn.


Effective
Flow
Conditions
with
Boiling in
Thermo

siphon


Kettle (Re)Boiler Design


Aspen - Zone Analysis
ProMax – Heat Release Increments
•

Heuristic 29.

– Khi làm mát và ngưng tụ một dòng trong bộ trao đổi nhiệt,
vùng được phân tích, được mô tả trong Phần 18.1 nên
được đảm bảo rằng chênh lệch nhiệt độ giữa dòng nóng và
dòng lạnh bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ tiếp cận tối thiểu tại
tất cả vị trí trong bộ trao đổi nhiệt. Phân tích vùng được thực
hiện bằng cách chia bộ trao đổi nhiệt thành một số phân
đoạn và áp dụng cân bằng năng lượng cho mỗi phân đoạn
để xác định nhiệt độ đầu vào và đầu ra của luồng tương
ứng cho phân đoạn, có tính đến bất kỳ thay đổi pha nào.
Một chương trình mô phỏng quá trình thuận tiện hoàn thành
việc phân tích vùng.


Độ giảm áp và lưu lượng dòng
•

Êm dịu và rối loạn

– Heuristic 31.
• Ước lượng độ giảm áp như sau:
–
–
–
–
–

1.5 psi đối với đun sôi và ngưng tụ,
3 psi đối với khí,
5 psi với chất lỏng có độ nhớt thấp,
7-9 psi với chất lỏng có độ nhớt cao,
20 psi với dòng lưu chất qua lò nung.


Điều khiển ΔP giả lập
•

Tuyến vỏ

– Đường kính vòi
• Vào và ra

– Số vách ngăn
– Số ống

•

• Số lượng, đường kính, pitch, số pass
Tuyến ống

– Dường kính vòi
• Vào và ra

– Số ống
• Số lượng, đường kính, pitch, số pass

Lưu ý các tương tác!


Đầu vỏ, Loại vỏ
•

Xem ProMax Help/index “Shell, types”